JP2010509715A - 色素増感太陽電池及びその作用電極 - Google Patents
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Abstract
作用電極を含んでなる色素増感太陽電池。該作用電極は、フィラメント状導電性基材及び色素増感半導体層を含んで成り、前記色素増感半導体層は、増感色素分子を吸着した大きさの異なる半導体粒子から形成された多孔質膜である。前記増感層は、フィラメント状導電性基材の外表面に被覆されている。前記フィラメント状導電性基材は、原料が豊富で、体積が小さく、変形しやすく、加工が簡便で、直／並列接続しやすいので、本発明の太陽電池は、特定の駆動電源を必要とする狭い空間及び不規則な空間に適用することができる。
Description
本発明は、太陽電池の技術分野の発明であり、特に、色素増感太陽電池およびその作用電極に関する。
色素増感太陽電池は、主に作用電極、電解質層及び対電極から構成されており、電解質層は固体状または液状のいずれであってもよい。作用電極は、導電性基材、半導体物質の多孔質膜及び増感色素を含むが、従来の太陽電池の材料及び加工技術上の制限により、通常、作用電極の導電基板は平板構造とされる。従って、太陽電池モジュールを構成する場合には、導線により各電池を接続する必要がある。多くの場合、特に近年急速に発展している携帯電子デバイスの場合には、電池に割り当てられる空間はかなり制限されており、しかも、該空間は、通常、不規則な形状を有しており、更に、電池を使用する場所（例えば、高集積インテリジェント・ガーメント、外装装飾など）によっては電池の形状を変化させる必要もある。従って、従来の太陽電池の平板構造では、適用範囲が著しく制限されると共に、設計者のアイデアも束縛してきた。加えて、実際の電子回路への電力供給においては、多くの場合、より高い駆動電圧（＞３Ｖ）が要求されるが、電流をあまり大きくする必要はないので、電池を直列に接続して構成した太陽電池モジュールなどにより、電力供給を行うことができる。導線により各電池を接続する従来の方式を採用すると、マイクロ電子デバイス内部の元々狭い空間をより狭くしてしまう。
更に、色素増感太陽電池の大規模な応用を阻害する要因は電池のコストにある。製造プロセスが複雑であるため、特殊な形状を有する従来の平板型光電池の製造コストが高く、民生用に商品化することが難しいのが現状である。
従来の太陽電池の問題点及び欠点に鑑み、本発明の目的は、自由に変形でき、直／並列接続が可能であり、安価であり、特に、特定の駆動電力供給を必要とする狭い空間及び不規則な形状の空間にも適する太陽電池を提供することである。
上記目的は、本発明によれば、フィラメント状導電性基材及び色素増感半導体層を含んでなる、色素増感太陽電池用作用電極であって、前記色素増感半導体層が、増感色素分子を吸着した大きさの異なる半導体粒子から形成された多孔質膜であり、前記色素増感半導体層がフィラメント状導電性基材の外表面に被覆されていることを特徴とする、色素増感太陽電池用作用電極により達成される。
フィラメント状導電性基材は、導電性材料から形成され、中実構造又は中空構造を有することができる。また、フィラメント状導電性基材は、コア層及び複数のシェル層を含んでおり、コア層及びシェル層は、導電性材料又は非導電性材料から形成され得る。コア層の外側にシェル層が順次被覆されており、最外層のシェル層は導電性材料から形成された層であり得る。導電性材料は、有機導電材料、無機導電材料、又は有機／無機複合導電材料であってよい。
フィラメント状導電性基材は、１つのフィラメントから形成できるのみならず、２つ以上のフィラメントから、それらフィラメントを緊密に配列し、相互に絡み合わせ、あるいは相互に撚り合わせて、形成できる。
フィラメント状導電性基材の表面は、さらに一層の緻密な半導体又は絶縁体材料層により被覆されていてもよい。
フィラメント状導電性基材上に付着されている色素増感半導体層の厚さは、通常、１μｍ〜１００μｍである。
１ フィラメント状導電性基材
２ 色素増感半導体層
３ 緻密層
４ 対電極
５ 電解質
６ フィラメント状作用電極
７ フィラメント状作用電極
８ 対電極
９ 電解質
２ 色素増感半導体層
３ 緻密層
４ 対電極
５ 電解質
６ フィラメント状作用電極
７ フィラメント状作用電極
８ 対電極
９ 電解質
本発明による色素増感太陽電池は、作用電極、電解質層及び対電極を含んでおり、作用電極が、フィラメント状導電性基材と色素増感半導体層からなり、色素増感半導体層が、増感色素分子を吸着した大きさの異なる半導体粒子から形成された多孔質膜であり、色素増感半導体層がフィラメント状導電性基材の外表面を被覆しており、作用電極と対電極との間に電解質が充填されている。
電解質層は、液状電解質、固体状の無機又は有機半導体、イオン性液体、無機又は有機ゲル電解質、又は高速移動イオン固体無機導電体であってよい。
対電極は、任意の形状（例えば、フィラメント状、平面状、ブロック状）の導電体であってよく、上記三種の形状の一種又はそれ以上の形状の導電体が緊密に配列された構造、あるいは互いに撚り合わされた構造であってもよい。対電極は、導電性材料から製造された中実構造又は中空構造であってよく、コア層及び複数のシェル層を含んでいてもよい。その場合、コア層は導電性材料又は非導電性材料から形成され、コア層の外側に複数のシェル層が順次被覆されており、最外層のシェル層は導電性材料であり得る。導電性材料は、有機導電材料、無機導電材料、又は有機／無機複合導電材料である。対電極の外表面は、任意の曲率を有する曲面の、緻密又は多孔質の連続或いは不連続な表面である。
前記対電極の表面には、さらに一層の触媒層が被覆されていてもよく、その厚さは１ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲にある。
作用電極は、絡み合い、緊密な並列、或いは付着等によって対電極と結合させる。作用電極と対電極との間のギャップは０.００１ｍｍ〜１ｃｍの範囲にある。
本発明による色素増感太陽電池は、その作用電極がフィラメント状導電性基材構造を有しているため、使用可能な原料が豊富であり、体積が小さく、変形が容易であり、加工が簡便で且つ直／並列しやすい等の利点を有しており、本発明は、狭い空間及び不規則な空間内での光電変換による電力供給のために、安価で効率よい手段を提供できる。
以下、図面に基づいて本発明を詳しく説明する。
図１及び図２に示すように、色素増感太陽電池の作用電極は、フィラメント状導電性基材１及び色素増感半導体層２を含んでおり、色素増感半導体層２は、増感色素分子が吸着されている大きさの異なる半導体粒子からなる多孔質膜構造であり、色素増感半導体層２がフィラメント状導電性基材１の外表面を被覆している。
色素増感太陽電池の作用電極に含まれる色素増感半導体層を製造する方法は、下の通りである。
フィラメント状導電性基材上に、複数回、半導体物質をスプレーし、焼成した後、焼成した半導体物質付きフィラメント状導電性基材を色素中に置いて増感させる。
半導体物質としては、色素増感太陽電池の作用電極に適するものであれば、いずれの半導体物質を使用してもよく、最も代表的な物質は、ナノサイズのTiO2、ZnO などである。ナノ粒子の粒子サイズ及び分布は通常の色素増感太陽電池に用いられるナノ粒子と同じである。その塗布方法としても、通常の方法、例えば、スプレー塗布、印刷、浸漬塗布、ディッピング、ドクターブレード塗布の塗布方法を用いることができる。
従来の色素増感太陽電池に適用される色素はいずれも、本発明の作用電極の半導体物質の増感に適用でき、全く同じ増感方法を用いることができる。
フィラメント状導電性基材１上に付着されている色素増感半導体層２の厚さは、１μｍ〜１００μｍの範囲にある。
十分な機械強度及び導電性を確保するとともに、優れた柔軟性を維持するために、フィラメント状導電性基材１の直径は、１ｍｍ未満であることが好ましく、その見掛け比抵抗は、１００Ω/ｃｍ未満であることが好ましい。
フィラメント状導電性基材１は、金属フィラメント（例えば、ステンレス鋼フィラメント、合金フィラメントなど）から製造されるフィラメント状構造を有していてよく、あるいは、非金属導電性フィラメント（例えば、炭素繊維、導電性高分子、無機導電性化合物繊維、及び有機／無機導電性複合繊維など）から製造されるフィラメント状構造を有していてもよい。導電性材料又は非導電性材料を用いて製造されるフィラメント状コア層の外層に導電性材料からなるシェル層が被覆されてもよく、フィラメント状導電性基材１は気体媒体又は真空を内包した導電性材料であってもよい。
フィラメント状導電性基材は、一本のフィラメントのみから形成されてもよいが、２本又はそれ以上のフィラメントを緊密に配列し、相互に絡み合わせ、あるいは相互に撚り合わせて、形成することもできる。
図３及び図４においては、作用電極のフィラメント状導電性基材１として直径約１００μｍのステンレス鋼フィラメントを用い、対電極４として直径約１００μｍの白金フィラメントを用いる。これにより製造される電池の有効長さは５ｃｍ２である。作用電極の具体的な製造工程は、以下の通りである。
予め用意したステンレス鋼フィラメントを、アセトンなどの有機溶媒で洗浄した後、基板洗浄剤を用いて洗浄し、次いで、４００℃〜５００℃の温度で１５分間加熱した後、室温まで自然冷却した。以上の処理を行ったステンレス鋼フィラメントを、赤外線で加熱しながら、その表面にチタン酸テトラエチル／アセチルアセトンのエタノール溶液を噴霧し、５００℃で３０分間焼成した後、自然冷却させることにより、ステンレス鋼フィラメント上に厚さ約０．９μｍの半導体物質TiO２の緻密層を形成した。緻密層に、色素増感太陽電池に通常使用されている半導体物質TiO２のエマルジョンを噴霧した後、５００℃で３０分間焼成した。上記の噴霧工程及び焼成工程を二回繰り返した後、ステンレス鋼フィラメント上の半導体物質TiO２層の全厚さは、４〜９μｍに達する。焼成後の半導体物質TiO２付き作用電極６に白金フィラメントの対電極５を適切に巻き付けた後、３×１０−４mole/L の濃度のＮ３色素／エタノール溶液中に置いて、１２時間以上増感させた後、取り出して室温で自然乾燥させ、色素増感半導体層２をフィラメント状導電性基材１の表面い被覆する。
作用電極の導電性、活性及び安定性、並びに、半導体からフィラメント状導電性基材への電荷の輸送特性、界面粘結特性などを向上させるためには、フィラメント状構造のフィラメント状導電性基材１の表面を、物理的又は化学的に修飾（変性）してもよい（例えば、表面処理、表面コーティングなど）。例えば、電池性能を向上させるために、フィラメント状導電性基材１の表面に半導体又は絶縁材料からなる緻密層３を塗布して、電解質５とフィラメント状導電性基材１との直接接触を防止することができる。
緻密層を製造する方法として、スパッタリング法、真空蒸着法、スプレー法、電気化学法などが挙げられる。
形成された作用電極６を、通常の色素増感太陽電池に用いられる電解質液中に５秒間浸漬させることにより、フィラメント状作用電極６と対電極４との間に電解質５を充填して、本発明の色素増感太陽電池を得た。
AM1.5（ASTM E892）の条件下、太陽電池の性能を測定した結果、電池の開路電圧は５８０ｍＶであり、長さ１ｃｍあたりの短絡電流は０．０２５ｍＡであり、全光電変換効率は０．９１％であった。
対電極４は、導電性材料から製造される中実構造又は中空構造であってよく、コア層及び複数のシェル層を含んでいてもよい。その場合、コア層及びシェル層は導電性材料又は非導電性材料から形成され、最外層に被覆されているシェル層は導電性材料からなる層である。対電極４に用いられる導電性材料は、有機導電材料、無機導電材料（金属材料を含む）、又は有機／無機複合導電材料であってよい。
対電極４の電気化学的活性を向上すると共に対電極の製造コストを下げるために、対電極４の表面に高効率触媒層を設けることができる。例えば、ステンレス鋼フィラメントの表面に白金層を形成してもよい。
対電極４の外表面は、任意の形状及び曲率を有する曲面の緻密又は多孔質性の連続又は不連続な表面であってよい。フィラメント状作用電極６は、絡み合い、緊密な配列、又は付着により、対電極４の外表面に対して配列されてよい。フィラメント状作用電極６と対電極４の外表面との距離は０．００１ｍｍ〜１ｃｍの範囲にある。
図５及び図６に示すように、色素増感太陽電池のフィラメント状作用電極７の製造方法は、上記実施例１におけるフィラメント状作用電極６の場合と同じである。本実施例では、フィラメント状導電性基材として、直径５μｍの炭素繊維を用いた。
対電極８は、フレキシブル板状導電体である。フィラメント状作用電極７は、緊密な並置又は付着により、対電極８の外表面に配列され、両者の間に電解質９が充填されている。電解質９は、色素増感太陽電池の製造に通常使用されている任意の電解質であってよい。本実施例では、CuI固体電解質を用いた。
AM1.5（ASTM E892）の条件下で、太陽電池の性能を測定した結果、電池の開路電圧は５００ｍＶであり、長さ１ｃｍあたりの短絡電流は０．０３０ｍＡであり、全光電変換効率は３％であった。
総括すると、本発明は、色素増感太陽電池用作用電極、及び当該作用電極に基づいた色素増感太陽電池の構造を提供する。上記の適用条件及び実施例は、本発明を限定するものではなく、当業者は、本発明の思想と範囲を超えない限り、各種の変更及び修飾を行うことができることはいうまでもない。従って、本発明が保護請求する範囲は特許請求の範囲により限定されるものである。
Claims (12)
- フィラメント状導電性基材及び色素増感半導体層を含んでなる、色素増感太陽電池用作用電極であって、前記色素増感半導体層が、増感色素分子を吸着した大きさの異なる半導体粒子から形成された多孔質膜であり、前記色素増感半導体層がフィラメント状導電性基材の外表面に被覆されていることを特徴とする、色素増感太陽電池用作用電極。
- 前記フィラメント状導電性基材は、導電性材料から形成され、且つ中実構造又は中空構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の作用電極。
- 前記フィラメント状導電性基材が一つのコア層及び複数のシェル層を含み、前記コア層及び前記シェル層が導電性材料又は非導電性材料から形成され、前記コア層の外側に前記シェル層が順次被覆されており、最外層のシェル層は導電性材料から形成された層であることを特徴とする、請求項１に記載の作用電極。
- 前記フィラメント状導電性基材の外表面に、一層の緻密な半導体又は絶縁材料層が被覆されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の作用電極。
- 前記色素増感半導体層の厚さが、１μｍ〜１００μｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の作用電極。
- 前記導電性材料が、有機導電材料、無機導電材料、又は有機／無機複合導電材料であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の作用電極。
- 作用電極、電解質層及び対電極を含んで成る色素増感太陽電池であって、前記作用電極が、フィラメント状導電性基材及び色素増感半導体層を含んでなり、前記色素増感半導体層が、増感色素分子を吸着した大きさの異なる半導体粒子から形成された多孔質膜であり、前記色素増感半導体層が前記フィラメント状導電性基材の外表面に被覆されており、前記作用電極と前記対電極との間の空隙に電解質が充填されていることを特徴とする、色素増感太陽電池。
- 対電極が、導電性材料から形成され、中実構造又は中空構造を有する電極であることを特徴とする、請求項７に記載の電池。
- 対電極が一つのコア層と複数のシェル層とを含み、前記コア層が導電性材料又は非導電性材料から形成され、前記コア層の外側に前記シェル層が順次被覆されており、最外層のシェル層が導電性材料から形成された層であることを特徴とする、請求項７に記載の電池。
- 前記導電性材料が、有機導電材料、無機導電材料、又は有機／無機複合導電材料であることを特徴とする、請求項８又は９に記載の電池。
- 前記対電極の表面に触媒層が被覆されており、前記触媒層の厚さが、１ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲にあることを特徴とする、請求項７〜９のいずれかに記載の電池。
- 前記作用電極が、絡み合い、緊密な並置、又は付着によって対電極と結合され、作用電極と前記対電極間の平均間隔が、０．００１ｍｍ〜１ｃｍの範囲にあることを特徴とする、請求項７〜９のいずれかに記載の電池。
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